Γιατί επεκτείνονται το πυρίτιο του γαλλίου και το βισμούθιο σε κατάψυξη;

Η επέκταση ορισμένων ουσιών κατά την κατάψυξη είναι μια ανώμαλη συμπεριφορά που συμβαίνει λόγω συγκεκριμένων ατομικών ρυθμίσεων και χαρακτηριστικών συγκόλλησης. Σε αντίθεση με τα περισσότερα υλικά που συμβάλλουν όταν στερεοποιούν, το γαλλικό, το πυρίτιο και το βισμούθιο παρουσιάζουν επέκταση του όγκου όταν μεταβαίνουν από υγρό σε στερεά κατάσταση. Εδώ είναι οι λόγοι πίσω από την επέκτασή τους στην κατάψυξη:

Γάλλιο:

Το γάλλιο υφίσταται μια μοναδική μετάβαση φάσης κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης. Μεταμορφώνεται από μια δομή υψηλής θερμοκρασίας, με επίκεντρο το επίκεντρο του προσώπου (FCC) σε μια χαμηλής θερμοκρασίας, ορθοομβική δομή. Αυτή η αλλαγή περιλαμβάνει την αναδιάταξη των ατόμων με τρόπο που οδηγεί σε μια πιο χαλαρά συσκευασμένη διάταξη στην στερεά κατάσταση σε σύγκριση με την υγρή κατάσταση. Αυτή η αύξηση της ατομικής απόστασης προκαλεί την επέκταση του γαλλίου όταν παγώνει.

πυρίτιο:

Το πυρίτιο υφίσταται επίσης μετάβαση φάσης κατά την κατάψυξη, παρόμοια με το γαλλικό. Το υγρό πυρίτιο υψηλής θερμοκρασίας έχει μια κυβική δομή διαμαντιών, ενώ η στερεή μορφή υιοθετεί μια κυβική δομή (FCC) με επίκεντρο το πρόσωπο. Αυτή η αλλαγή στις ατομικές ρυθμίσεις δημιουργεί μια λιγότερο πυκνή στερεή δομή σε σύγκριση με το υγρό, οδηγώντας σε επέκταση κατά τη διάρκεια της κατάψυξης.

βισμούθιο:

Η επέκταση του Bismuth στην κατάψυξη αποδίδεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται "κρυστάλλωση με αλλαγή του αριθμού συντονισμού". Στην υγρή κατάσταση, τα άτομα του βισμούθιου είναι διατεταγμένα με πιο συμπαγή τρόπο, με κάθε άτομο να σχηματίζει τρεις ομοιοπολικούς δεσμούς με γειτονικά άτομα. Κατά την κατάψυξη, μεταβαίνει το βισμούθιο σε μια ρομβοεδρική κρυσταλλική δομή όπου κάθε άτομο σχηματίζει πέντε ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτή η αύξηση του αριθμού συντονισμού απαιτεί περισσότερο χώρο, με αποτέλεσμα την επέκταση του βισμούθιου καθώς παγώνει.

Αυτές οι ανώμαλες συμπεριφορές επέκτασης του γαλλίου, του πυριτίου και του βισμούθιου έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε διάφορες εφαρμογές. Για παράδειγμα, η επέκταση του γαλλίου κατά την κατάψυξη το καθιστά χρήσιμο ως σφραγιστικό σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, όπως βαλβίδες και αντλίες, όπου απαιτείται τέλεια σφράγιση ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Ομοίως, η επέκταση του πυριτίου κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης χρησιμοποιείται στη βιομηχανία ημιαγωγών για τη δημιουργία τροποποιήσεων που προκαλούνται από το στέλεχος στις ηλεκτρονικές ιδιότητες των συσκευών πυριτίου.

Αξίζει να σημειωθεί ότι ενώ το γαλλικό, το πυρίτιο και το βισμούθιο είναι αξιοσημείωτα παραδείγματα ουσιών που επεκτείνονται στην κατάψυξη, δεν είναι οι μόνοι. Μερικά άλλα στοιχεία και ενώσεις, όπως το νερό και το αντιμόνιο, παρουσιάζουν επίσης αυτή την ασυνήθιστη συμπεριφορά. Η κατανόηση αυτών των εξαιρετικών ιδιοτήτων είναι ζωτικής σημασίας σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της μηχανικής, συμπεριλαμβανομένης της επιστήμης των υλικών, της χημείας και της μεταλλουργίας.